A 1 Lei da Termodinâmica

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Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 91
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l
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 P
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f
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Volume 2 • Módulo 2 • Física • Unidade 9
Calor e Energia – 
A 1ª Lei da 
Termodinâmica
Andreia Mendonça Saguia, Angelo Longo Filho, Bruno Lazarotto Lago, César Bastos, 
Fábio Ferreira Luiz, Felipe Mondaini (coordenador), Gabriela Aline Casas. 
Introdução
Caro professor,
O material a seguir refere-se a um conjunto de atividades que poderá ser 
utilizado e/ou adaptado, de acordo com sua conveniência, sendo assim suges-
tões para o ato de educar no Ensino de Jovens e Adultos (EJA). O mesmo poderá 
ser utilizado como um material de consulta com o intuito de complementar as 
aulas por você preparadas. 
Para cada seção existem atividades que se diferenciam pela maneira como 
são apresentados os conteúdos, seja por meio de atividades em grupos, experi-
mentos de baixo custo, vídeos ou applets, cabendo ao professor utilizar ou não os 
recursos ali dispostos. 
Nesta Unidade 9 – Calor e energia – a 1ª Lei da Termodinâmica – procuramos 
resgatar a curiosidade dos alunos no estudo da Física, para isto alguns experimen-
tos e atividades em grupo foram escolhidos de modo a explorar os preceitos básicos 
do conceito de quantidade de calor. Calor e temperatura são conceitos conhecidos 
de maneira peculiar pelos alunos, algo que os incomoda ou os satisfaz no cotidiano, 
mas o que faz a areia ser tão quente e a água do mar tão fria? A noção de calor es-
pecífico e transferência de calor são então estudadas de uma maneira em que fique 
visível por meio de atividades lúdicas o seu funcionamento. Com este intuito, sugeri-
mos experimentos e atividades que podem ser desenvolvidos em sala de aula, onde 
abordaremos os tópicos principais desta Unidade. Vale notar que pela similaridade de 
conteúdos, algumas seções foram agrupadas como as Seções 1 e 2 e as Seções 3 e 4. 
Esperamos, por meio deste material, atuar ao lado do professor com um 
conjunto de opções que venham a atender à necessidade cada vez mais urgente 
de um material de qualidade à disposição do professor. 
92
Apresentação da unidade do material do aluno
Disciplina Volume Módulo Unidade
Estimativa de aulas para 
essa unidade
Física 2 2 9 4
Titulo da unidade Tema
Calor e Energia � A 1ª Lei da Termodinâmica 1ª Lei da Termodinâmica
Objetivos da unidade
Conceituar calor;
Relacionar calor com trabalho e energia interna;
Aplicar a primeira lei da termodinâmica a experimentos simples;
Distinguir os processos isobáricos, adiabáticos, isocóricos e isotérmicos;
Seções
Páginas no material 
do aluno
1. O experimento de Joule e a definição de calor; 231
2. Calor e calorias; 234
3. Calor específico; 235
4. Calor latente e mudanças de fase; 237
5. Processos termodinâmicos e trabalho. 239
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 93
Recursos e ideias para o Professor
Tipos de Atividades
Atividades em grupo ou individuais
São atividades que são feitas com recursos simples disponíveis.
Material copiado para distribuição em sala
São atividades que irão utilizar material reproduzido na própria escola e entregue aos 
alunos;
Datashow com computador, DVD e som
São atividades passadas por meio do recurso do projetor para toda a turma;
Atividades lúdicas
Experiências práticas que podem ser realizadas em sala com uso de recursos simples;
Avaliação
Questões ou propostas de avaliação conforme orientação.
94
Atividade Inicial
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Calor, suor, 
evaporação e 
resfriamento
Termômetro 
sensível a 
baixas tem-
peraturas 
(termômetro 
de laboratório 
ou cozinha são 
boas opções), 
um guardana-
po de papel, 
um pouco de 
água e um 
ventilador (se 
for difícil arran-
jar um ventila-
dor, serve um 
leque ou um 
pedaço de pa-
pelão grosso).
Neste experimento, obser-
varemos um fenômeno co-
nhecido como resfriamento 
evaporativo. Nesse processo, 
um fluido evapora roubando 
calor do ambiente, o qual 
tem sua temperatura redu-
zida. Este tipo de processo 
está presente, por exemplo, 
no controle da temperatura 
corporal.
grupos de 4 a 
5 alunos
30min
Seção 1 – O experimento de Joule e a definição de calor
Seção 2 – Calor e calorias
Página no material do aluno
231 a 234
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da Ativi-
dade: Botando 
fogo na espon-
ja de aço.
Material/Recur-
so necessário: 
Duas pilhas 
tamanho AA, 
Esponja de aço, 
fio de corrente, 
fita adesiva
Descrição sucinta: Nesta 
atividade, os alunos poderão 
observar de maneira simples 
o efeito Joule, bastando para 
isso a utilização de elemen-
tos de fácil aquisição. 
Divisão da 
turma: O pro-
fessor interage 
com toda a 
turma.
Tempo estima-
do: 30 minutos
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 95
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da Ativi-
dade: Obser-
vando o efeito 
da energia em 
trânsito – a es-
piral giratória. 
Material/
Recurso 
necessário: 
uma folha de 
papel sulfite, 
um pedaço de 
linha resisten-
te, duas velas e 
fósforo
Descrição sucinta: Aquecen-
do o ar próximo a uma espi-
ral de papel, verificaremos 
que esta, devido às corrente 
de convecção, girará. A 
convecção está presente no 
nosso cotidiano, como por 
exemplo, na geladeira, na 
formação dos ventos e no 
ferver da água. Vídeo ilus-
trativo presente no material 
anexo do professor 
(Mod2-Unid9-Sec1e2.wmv).
Divisão da tur-
ma: Professor 
interage com a 
turma.
Tempo estima-
do: 15 minuto
Seção 3 – Calor Específico
Seção 4 – Calor Latente
Página no material do aluno
235 a 238
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da 
Atividade: 
Verificação da 
temperatura 
constante 
durante a mu-
dança de fase
Material/Recur-
so necessário: 1 
– Termômetro 
laboratorial
1 – Recipien-
te (béquer ou 
qualquer outro)
8 – Cubos de 
gelo
100ml de água
Descrição sucinta: Neste 
experimento, veremos que 
durante a mudança de fase 
o estado de agregação mo-
lecular da substância modifi-
ca, porém a sua temperatura 
permanece constante.
Divisão da tur-
ma: Grupos de 
até 4 compo-
nentes
Tempo estima-
do: 30min
O Balão que 
não estoura.
Balões de ani-
versário, água, 
uma vela 
Nesta atividade, o conceito 
de reservatório térmico e 
de transmissão de calor será 
introduzido de uma maneira 
bastante ilustrativa, por meio 
da utilização de um balão de 
aniversário com água.
Grupos de 4 
alunos
30min
96
Seção 5 – Processos Termodinâmicos e Trabalho
Página no material do aluno
239 a 253
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Processos ter-
modinâmicos 
e diagrama P-V
Applet (Fisica_
Mod2_Un9_
Sec5.html), 
presente no 
material anexo 
do professor
Estudar a representação de 
processos termodinâmicos 
em um diagrama P-V, utili-
zando recursos multimídia.
O professor e 
os alunos po-
dem interagir.
20 minutos
Barco a Vapor
Folha de Iso-
por, Vela, fita 
adesiva, tesou-
ra, latinha de 
alumínio
A Transformação de Ener-
gia Térmica em Energia 
Mecânica representou um 
marco importantíssimo na 
Revolução Industrial. Neste 
experimento, construiremos 
um barquinho a vapor.
Tempo estima-
do: 30min
Avaliação
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Lista de Exer-
cícios: Calor e 
Energia – A 1ª 
Lei da Termo-
dinâmica
Lápis e Papel
A Lista de Exercícios a seguir 
aborda os tópicos desenvol-
vidos durante esta unidade, 
tais como: Calor, a 1a Lei da 
Termodinâmica,Processos 
Termodinâmicos e Trabalho. 
Um arquivo contendo a 
lista de exercícios a seguir 
está disponível no material 
anexo do professor.
Atividade 
Individual 
1 aula 
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 97
Atividade Inicial
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Calor, suor, 
evaporação e 
resfriamento
Termômetro 
sensível a 
baixas tem-
peraturas 
(termômetro 
de laboratório 
ou cozinha são 
boas opções), 
um guardana-
po de papel, 
um pouco de 
água e um 
ventilador (se 
for difícil arran-
jar um ventila-
dor, serve um 
leque ou um 
pedaço de pa-
pelão grosso).
Neste experimento, obser-
varemos um fenômeno co-
nhecido como resfriamento 
evaporativo. Nesse processo, 
um fluido evapora roubando 
calor do ambiente, o qual 
tem sua temperatura redu-
zida. Este tipo de processo 
está presente, por exemplo, 
no controle da temperatura 
corporal.
grupos de 4 a 
5 alunos
30min
Aspectos operacionais
Para motivar os alunos, inicie o experimento, provocando-os com algumas perguntas relacionadas ao nosso 
cotidiano. Por exemplo, por que suamos em dias quentes ou quando fazemos exercícios físicos? Por que sentimos 
frio, quando estamos molhados? Por que a água da moringa permanece fresca, mesmo em dias quentes? Como os 
chafarizes refrescam um pátio fechado? Por que temos aquela sensação de frio, quando esfregamos álcool nas mãos? 
E qual o papel do vento em todos esses processos?
Para entender o fenômeno físico por trás de todos esses processos, propomos o experimento a seguir.
1. Divida a turma em grupos de 4 ou 5 alunos;
2. Cada grupo deve estar munido de um termômetro sensível a baixas temperaturas, um papel toalha, um 
pouco de água e um objeto que sirva de abano (o ideal é utilizar um ventilador, mas um leque ou pedaço 
de papelão grosso pode servir).
3. Os alunos devem pulverizar água no papel de modo que ele fique todo molhado (sem se desmanchar).
98
4. A seguir, esse papel deve ser enrolado na ponta do termômetro (veja figuras ilustrativas abaixo).
5. Espere uns três minutos e faça a leitura da temperatura.
6. Agora, ligue o ventilador diretamente sobre o papel (ou abane-o vigorosamente).
7. Os alunos devem observar a temperatura do papel começar a diminuir. 
Figuras ilustrativas da montagem experimental
Fonte: Andreia Saguia
Aspectos pedagógicos 
Após o experimento, é importante deixar claro para os alunos os princípios por trás do resfriamento evapora-
tivo e responder às perguntas provocativas feitas, inicialmente. Pode-se argumentar que:
1. O resfriamento do papel acontece por causa da evaporação da água. Evaporação é o processo no qual a 
água passa do estado liquido para o gasoso, tirando calor do objeto que está em contato com ela. Essa 
perda de calor do objeto causa um decréscimo em sua temperatura. 
2. É bom lembrar aos alunos que a evaporação é diferente da ebulição. Na ebulição, a água transforma-se em 
vapor d'água, quando sua temperatura atinge 100° C. A evaporação ocorre à temperatura ambiente. Em 
nível microscópico, observa-se que as moléculas da água com alta energia conseguem se desprender do 
líquido, virando vapor d'água. Essas moléculas obtêm a energia necessária para escapar, roubando calor do 
objeto que está em contato com ela.
3. O uso do ventilador acelera o processo de evaporação de duas maneiras: o vento dá energia para as molé-
culas de água desprenderem-se das outras moléculas de água e do papel, e também renova o ar próximo 
ao papel que fica saturado de vapor de água.
4. Todos os processos citados no inicio do experimento tem por base o mecanismo do resfriamento evapo-
rativo. Por exemplo, para manter a temperatura do nosso corpo estável, suamos quando recebemos uma 
quantidade de calor. O suor evapora, tirando energia térmica do nosso corpo que acaba sofrendo um de-
créscimo de temperatura. No caso da moringa, o barro é um material poroso que permite a passagem de 
gotículas de água para a região externa da moringa. Essas gotículas de água evaporam, tirando energia da 
água que permanece moringa. No caso do álcool, sentimos um frio na mão porque o álcool evapora muito 
rapidamente, tirando uma energia grande de nossas mãos num curto espaço de tempo.
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 99
Seção 1 – O experimento de Joule e a definição de calor
Seção 2 – Calor e calorias
Página no material do aluno
231 a 234
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da Ativi-
dade: Botando 
fogo na espon-
ja de aço.
Material/Re-
curso neces-
sário: Duas pi-
lhas tamanho 
AA, Esponja 
de aço, fio de 
corrente, fita 
adesiva
Descrição sucinta: Nesta 
atividade, os alunos poderão 
observar de maneira simples 
o efeito Joule, bastando para 
isso a utilização de elemen-
tos de fácil aquisição. 
Divisão da 
turma: O pro-
fessor interage 
com toda a 
turma.
Tempo estima-
do: 30 minutos
Aspectos operacionais
O efeito Joule pode ser entendido como a conversão de energia elétrica em energia térmica, o que pode ser 
visualizado em resistência de chuveiros elétricos e aparelhos eletrônicos de maneira geral. Nesta experiência, faremos 
uma demonstração desta conversão de energia de uma maneira simples e bastante ilustrativa, porém dado o manu-
seio com fogo deve ser feito com extrema segurança. Para isto, o professor deverá seguir os passos:
 � Fixe as duas pilhas, utilizando para isto uma fita adesiva de maneira que o polo negativo de uma pilha per-
maneça em contato com o polo positivo da outra, uma forma de associação em série destas pilhas.
 � Desencape os fios de maneira que os mesmos estejam em contato com os polos das pilhas. Assegure-se de 
que os contatos permaneçam isolados por meio da fita adesiva.
 � Coloque em contato as outras extremidades dos fios com a esponja de aço. Ao entrar em contato com a esponja 
de aço, o circuito estará fechado. Devido à resistência da esponja de aço, o efeito Joule poderá ser observado 
com o superaquecimento do material o que acarretará o aparecimento de uma chama na esponja de aço.
Aspectos pedagógicos 
Você poderá por meio desta atividade ilustrar o efeito Joule que se manifesta por meio da chama na esponja 
de aço. O motivo desta chama é que os elétrons ao encontrarem uma alta resistência à sua circulação entram em 
atrito com os átomos da esponja de aço, convertendo energia elétrica em energia térmica. Um experimento muito 
similar a este poderia ter sido feito, utilizando-se uma fonte de maior amperagem, como uma bateria, e um pedaço 
de grafite de lapiseira. Ao fecharmos o circuito nas extremidades do grafite, veremos uma luz incandescente, devido 
à passagem dos elétrons que encontram resistência com os átomos de carbono.
100
Você poderá conduzir esta experiência de maneira a intercalá-la com os aspectos teóricos do efeito Joule e 
apresentar como aplicabilidade a resistência dos chuveiros. 
Seção 1 – O experimento de Joule e a definição de calor
Seção 2 – Calor e calorias
Página no material do aluno
231 a 234
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da Ativi-
dade: Obser-
vando o efeito 
da energia em 
trânsito – a es-
piral giratória. 
Material/
Recurso 
necessário: 
uma folha de 
papel sulfite, 
um pedaço de 
linha resisten-
te, duas velas e 
fósforo
Descrição sucinta: Aquecen-
do o ar próximo a uma espi-
ral de papel, verificaremos 
que esta, devido às corrente 
de convecção, girará. A 
convecção está presente no 
nosso cotidiano, como por 
exemplo, na geladeira, na 
formação dos ventos e no 
ferver da água. Vídeo ilus-
trativo presente no material 
anexo do professor 
(Mod2-Unid9-Sec1e2.wmv).
Divisão da tur-
ma: Professor 
interage com a 
turma.
Tempo estima-
do: 15 minuto
Aspectos operacionaisA convecção é uma forma de transmissão de calor que ocorre nos fluidos, quando há uma diferença de tempe-
ratura entre suas partes. Abaixo segue o passo a passo de uma atividade que permitirá os alunos observar um efeito 
desse fenômeno.
1. Para provocar a turma e estimular a participação deles na atividade, inicie o experimento com algumas per-
guntas, relacionadas ao processo de convecção que está presente em nosso dia a dia. Por exemplo, por que 
o congelador da geladeira fica na parte de cima? Por que a brisa marítima corre do mar para a terra durante 
o dia e da terra para o mar à noite? Por que os aparelhos de ar de condicionado devem ser instalados na 
parte superior de um ambiente? Como se dá o processo de fervura da água na panela?
2. Para visualizar o fenômeno por trás de todos esses processos, proponha a observação da espiral giratória. 
3. Corte uma folha de papel sulfite na forma de uma espiral (veja figuras abaixo).
4. Amarre um pedaço de linha resistente na ponta mais interna da espiral.
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 101
5. Fixe as velas em pratinho de forma segura e acenda-as.
6. Segure a espiral pela linha a uns 5cm acima da vela. A vela deve ficar no centro da espiral.
7. Observe a espiral girar.
Figuras ilustrativas da montagem experimental
Figura 1 Figura 
Fonte: Andréia Saguia
Aspectos pedagógicos 
Esta é uma atividade bastante simples que ilustra a formação de correntes de convecção. A espiral gira porque 
o ar aquecido pela vela sobe, abrindo espaço para o ar mais frio. Essa movimentação das massas de ar quente e frio 
dá origem as correntes de convecção que empurram a espiral, fazendo-a girar. Esse é exatamente o mesmo princípio 
de funcionamento da geladeira e dos outros exemplos citados na introdução da atividade: ar quente sobe e ar frio 
desce, formando correntes de convecção.
Como convecção não é o único processo de transmissão de calor, pode-se aproveitar esta atividade para co-
mentar sobre a condução e a irradiação. Esses fenômenos, embora muito presentes no nosso dia a dia, costumam ser 
pouco observados.
102
Seção 3 – Calor Específico
Seção 4 – Calor Latente
Página no material do aluno
235 a 238
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Título da 
Atividade: 
Verificação da 
temperatura 
constante 
durante a mu-
dança de fase
Material/Recur-
so necessário: 1 
– Termômetro 
laboratorial
1 – Recipien-
te (béquer ou 
qualquer ou-
tro)
8 – Cubos de 
gelo
100ml de água
Descrição sucinta: Neste 
experimento, veremos que 
durante a mudança de fase 
o estado de agregação mo-
lecular da substância modifi-
ca, porém a sua temperatura 
permanece constante.
Divisão da tur-
ma: Grupos de 
até 4 compo-
nentes
Tempo estima-
do: 30min
Aspectos operacionais
Ao decorrer do experimento, buscaremos evidenciar a manutenção da temperatura constante, durante a mu-
dança de fase. 
Passos:
1. Repouse o termômetro na mistura gelo e água e observe a marcação do termômetro.
Fonte: Fábio Ferreira Luiz
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 103
2. Evidencie a manutenção da temperatura constante, enquanto houver gelo e água no recipiente.
3. Caso possua equipamentos laboratoriais (béquer, pico de Bunsen, difusor de calor e tripé), em sua 
unidade escolar, é possível aquecer a mistura e transformá-la rapidamente em água no estado líquido.
4. Caso possua os equipamentos citados no passo anterior, estimule o sistema entrar em ebulição, e registre a 
temperatura em que ocorre a desagregação do estado novamente. Obtenha a temperatura próxima a 100ºC.
Aspectos pedagógicos 
Este experimento sofre a interferência da pressão atmosférica, este fato deve ser ressaltado pelo nobre profes-
sor. Outro fator importante é a utilização do fogareiro, é sempre bom redobrar os cuidados e assim evitar acidentes, 
para apagar o fogo, utilize uma toalha molhada e nunca tente assoprar o fogareiro.
Seção 3 – Calor Específico
Seção 4 – Calor Latente
Página no material do aluno
235 a 238
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
O Balão que 
não estoura.
Balões de ani-
versário, água, 
uma vela 
Nesta atividade, o concei-
to de reservatório térmico 
e de transmissão de calor 
será introduzido de uma 
maneira bastante ilustrati-
va, por meio da utilização 
de um balão de aniversá-
rio com água.
Grupos de 4 
alunos
30min
Aspectos operacionais
Para iniciarmos esta atividade, é importante que o professor possa executá-la em segurança, uma vez que a 
mesma envolve uma chama proveniente de uma vela. A atividade segue de acordo com os seguintes passos:
 � Encha um balão de aniversário e coloque-o em contato com a chama da vela.
 � Pergunte aos alunos o motivo disto ter ocorrido.
 � Antes de encher um outro balão, encha-o de água para em seguida torná-lo a enchê-lo de ar.
 � Coloque o balão, contendo água dentro, em contato com a chama da vela. 
104
Fonte: Felipe Mondaini
Aspectos pedagógicos 
Fica evidente nesta atividade que o fato de inserirmos água dentro do balão é de vital importância para que o 
balão não estoure, mas por qual motivo? É importante enfatizar que o calor da chama ao encostar no balão com água 
é transferido para esta, evitando assim que a superfície do balão dilate-se e estoure. A água nesta atividade atua como 
um reservatório térmico, uma vez que este elemento possui uma capacidade térmica elevada, ou seja, necessita de 
uma maior quantidade de calor para elevar sua temperatura de 1º C. 
Vale a pena ilustrar o exemplo que observamos nas praias em que a temperatura da areia em dia de sol está 
bem elevada e a da água do mar está baixa, uma vez que a capacidade térmica da areia é baixa, sendo assim muito 
suscetível à temperatura externa. Na condução da atividade, o professor poderá questionar os alunos que outras situ-
ações de troca de calor podem ser dadas e de que maneira podemos observar a Lei Zero nessas.
Seção 5 – Processos Termodinâmicos e Trabalho
Página no material do aluno
239 a 253
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Processos ter-
modinâmicos 
e diagrama P-V
Applet (Fisica_
Mod2_Un9_
Sec5.html), 
presente no 
material anexo 
do professor
Estudar a representação de 
processos termodinâmicos 
em um diagrama P-V, utili-
zando recursos multimídia. 
O professor e 
os alunos po-
dem interagir.
20 minutos
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 105
Aspectos operacionais
Este applet é útil para ilustrar a representação de processos termodinâmicos (adiabático, isobárico, isovo-
lumétrico e isotérmicos) de maneira interativa e investigativa. Três estados A, B e C de um sistema (gás monoa-
tômico) estão representados no diagrama P-V. Não sabemos, em princípio, quais foram os processos utilizados 
para se levar o sistema de A para B e de C para A. De B para C, o sistema foi submetido a um processo isovolu-
métrico. Através de um controle deslizante, é possível variar a temperatura de um processo isotérmico e verificar 
quais são os estados conectados por este processo. Além disso, o último processo pode ser selecionado através 
de caixas de seleção, mostradas na tela.
Considere a seguinte sugestão de utilização deste recurso:
 � Inicie o applet (Fisica_Mod2_Un4_Sec5.html), disponível no material anexo do professor
 � Discuta com os alunos o que está representado no diagrama P-V mostrado: três estados do sistema: A, B e C.
 � Pergunte qual deve ser o processo que liga os estados A e B. Procure eliminar os processos isovolumétrico e 
isobárico, já que estes seriam representados por linhas vertical e horizontal, respectivamente, e não seriam 
capazes de ligar os processos A e B.
 � Antes de concluir se o processo que liga A e B é o isotérmico, pergunte qual deve ser oprocesso que liga A 
e C. Reforce o fato de que, neste processo, a pressão cai mais rapidamente com o volume, em comparação 
com o processo que liga A e B.
 � Lembre aos alunos que P.V=constante no processo isotérmico e P.Vγ=constante no isobárico e assim será 
fácil se convencer de quais são os processos corretos, já que o processo ilustrado considera um gás mono-
atômico como sistema; logo, γ=5/3.
 � Varie a temperatura através do controle deslizante e encontre a temperatura do processo que leva A a B.
Aspectos pedagógicos 
Alguns alunos podem confundir os conceitos de processos isotérmico e isobárico no diagrama P-V. Isso se 
deve, geralmente, a dificuldades relacionadas ao conceito de função. Enfatize o comportamento do gráfico em cada 
um dos casos para sanar estas dúvidas.
Para convencer os alunos de que o processo adiabático leva ao estado C, que possui pressão menor 
que B e o mesmo volume, calcule alguns valores de 1/V e 1/Vγ. Mostre, então, que, no segundo caso, a pressão 
deve ser menor.
106
Seção 5 – Processos Termodinâmicos e Trabalho
Página no material do aluno
239 a 253
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Barco a Vapor
Folha de Iso-
por, Vela, fita 
adesiva, tesou-
ra, latinha de 
alumínio
A Transformação de Ener-
gia Térmica em Energia 
Mecânica representou um 
marco importantíssimo na 
Revolução Industrial. Neste 
experimento, construiremos 
um barquinho a vapor.
Tempo estima-
do: 30min
Aspectos operacionais
Para a construção desse barquinho a vapor, conhecido popularmente como barquinho pop pop, serão ne-
cessárias algumas etapas que deverão ser feitas com um certo cuidado, o que pode demandar um tempo extra sala.
1. Utilize uma tesoura para recortar uma latinha de alumínio de maneira a aproveitar o corpo da lata.
2. Dobre a tira de alumínio e utilizando uma fita adesiva junte as duas extremidades como ilustrado abaixo. 
Fonte: Felipe Mondaini
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 107
3. Amasse esta tira de metal, assim como as laterais, como ilustrado abaixo
Fonte: Felipe Mondaini
4. Utilize uma cola vedante nas juntas, sendo que a cola utilizada seja resistente a altas temperaturas.
5. Insira dois canudos neste pacote de alumínio, certificando-se de estarem bem aderidos ao interior do mes-
mo. Para isto, coloque um pouco de cola nos canudos, antes de inseri-los. É importante a utilização de 
canudos dobráveis na experiência. 
Fonte: Felipe Mondaini
108
6. Fixe o conjunto na folha de isopor de maneira que os canudos fiquem presos na base da folha de isopor 
que fará o papel do barquinho.
Fonte: Felipe Mondaini
7. Insira água dentro dos canudos até encher. Fixe uma vela de tal maneira que a chama encoste na superfície 
metálica e deixe o barquinho dentro de um reservatório com água. 
Fonte: Felipe Mondaini
Aspectos pedagógicos 
Este barquinho é amplamente utilizado em feiras de ciência como um exemplo interessante de uma máquina 
a vapor e dá a oportunidade do professor discutir a eficiência térmica destas máquinas a vapores em comparação a 
um ciclo ideal como o Ciclo de Carnot.
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 109
O funcionamento deste barquinho está relacionado a uma diferença de pressão, provocada pela diferença de 
temperatura entre o vapor de água no interior do pacote metálico e a água do recipiente onde o barquinho encontra-
-se. A vela aquece a água que está no interior do pacote, fazendo com que este se transforme em vapor que empurra a 
água de dentro do canudo, porém ao entrar em contato com a temperatura da água do recipiente, o vapor condensa-
-se e volta ao estado líquido, repetindo o processo. Desta maneira, temos um ciclo que faz com que este barquinho 
mova-se até a chama da vela apagar-se. 
Avaliação
Tipos de 
Atividades
Título da 
Atividade
Material 
Necessário
Descrição Sucinta
Divisão da 
Turma
Tempo 
Estimado
Lista de Exer-
cícios: Calor e 
Energia – A 1ª 
Lei da Termo-
dinâmica
Lápis e Papel
A Lista de Exercícios a seguir 
aborda os tópicos desenvol-
vidos durante esta unidade, 
tais como: Calor, a 1a Lei da 
Termodinâmica, Processos 
Termodinâmicos e Trabalho. 
Um arquivo contendo a 
lista de exercícios a seguir 
está disponível no material 
anexo do professor.
Atividade 
Individual 
1 aula 
Aspectos operacionais
Para o momento de avaliação, sugerimos a utilização do último tempo de aula destinado à Unidade 9. A seguir, 
apresentamos sugestões para a avaliação das habilidades pretendidas nesta unidade. 
 � Faça um resumo sobre os conteúdos trabalhados, durante a unidade. Se desejar, utilize o resumo elaborado 
neste material;
 � Estimule os alunos a fazerem os exercícios listados a seguir.
Aspectos pedagógicos 
 � É interessante selecionar alguns exercícios para resolver com os alunos, para que estes tenham uma primei-
ra orientação a respeito de como solucioná-los. Os demais devem ser feitos pelos próprios alunos.
110
 � Após a resolução das questões, proponha uma discussão sobre as soluções encontradas. 
 � Possivelmente, aparecerão soluções divergentes. Pondere as equivocadas, ressaltando onde reside o erro. 
Lista de Exercícios
Calor e Energia – A 1a Lei da Termodinâmica
1. (UEL 2012) O homem utiliza o fogo para moldar os mais diversos utensílios. Por exemplo, um forno é es-
sencial para o trabalho do ferreiro na confecção de ferraduras. Para isto, o ferro é aquecido até que se torne 
moldável. Considerando que a massa de ferro empregada na confecção de uma ferradura é de 0,5 kg, que 
a temperatura em que o ferro torna-se moldável é de 520 ºC e que o calor específico do ferro vale 0,1 cal/
gºC, assinale a alternativa que fornece a quantidade de calor, em calorias, a ser cedida a essa massa de ferro 
para que possa ser trabalhada pelo ferreiro.
Dado: temperatura inicial da ferradura: 20 ºC. 
a. 25 
b. 250 
c. 2500 
d. 25000 
e. 250000 
2. (ESPCEX (AMAN) 2011) Para elevar a temperatura de 200 g de uma certa substância, de calor específico 
igual a , de 20°C para 50°C, será necessário fornecer-lhe uma quantidade de energia igual a: 
a. 120 cal 
b. 600 cal 
c. 900 cal 
d. 1800 cal 
e. 3600 cal 
3. (UFTM 2011) Dona Joana é cozinheira e precisa de água a 80 ºC para sua receita. Como não tem um ter-
mômetro, decide misturar água fria, que obtém de seu filtro, a 25 ºC, com água fervente. Só não sabe em 
que proporção deve fazer a mistura. Resolve, então, pedir ajuda a seu filho, um excelente aluno em Física. 
Após alguns cálculos, em que levou em conta o fato de morarem no litoral, e em que desprezou todas as 
possíveis perdas de calor, ele orienta sua mãe a misturar um copo de 200 mL de água do filtro com uma 
quantidade de água fervente, em mL, igual a 
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 111
a. 800. 
b. 750. 
c. 625. 
d. 600. 
e. 550. 
4. (G1 – IFSP 2011) A temperatura normal do corpo humano é de 36,5 °C. Considere uma pessoa de 80 Kg de 
massa e que esteja com febre a uma temperatura de 40°C. Admitindo que o corpo seja feito basicamente 
de água, podemos dizer que a quantidade de energia, em quilocalorias (kcal), que o corpo desta pessoa 
gastou para elevar sua temperatura até este estado febril, deve ser mais próxima de
Dado: calor específico da água c = 1,0 cal/g°C 
a. 200. 
b. 280. 
c. 320. 
d. 360. 
e. 420. 
5. (PURJ 2013) Um líquido é aquecido através de uma fonte térmica que provê 50,0 cal por minuto. Observa-se 
que 200 g deste líquido aquecem-se de 20,0 °C em 20,0 min. Qual é o calor específico do líquido, medido 
em cal/(g °C)? 
a. 0,0125 
b. 0,25 
c. 5,0 
d. 2,5 
e. 4,0 
6. (UFRGS 2011) Uma mesma quantidade de calor Q é fornecida a massas iguais de dois líquidos diferentes, 
1 e 2. Durante o aquecimento, os líquidos não alteram seu estado físico e seus calores específicos perma-
necem constantes, sendo tais que c1= 5c2. Na situação acima, os íquidos 1 e 2 sofrem, respectivamente,variações de temperatura ∆T1 e ∆T2, tais que ∆T1 é igual a
a. 2T / 5∆
b. 22 T / 5.∆
c. 2T .∆
112
d. 25 T / 2.∆
e. 25 T .∆
7. (UNESP 2012) Clarice colocou em uma xícara 50 mL de café a 80 °C, 100 mL de leite a 50 °C e, para cuidar de 
sua forma física, adoçou com 2 mL de adoçante líquido a 20 °C. Sabe-se que o calor específico do café vale 
1 cal/(g.°C), do leite vale 0,9 cal/(g.°C), do adoçante vale 2 cal/(g.°C) e que a capacidade térmica da xícara é 
desprezível. Considerando que as densidades do leite, do café e do adoçante sejam iguais e que a perda de 
calor para a atmosfera é desprezível, depois de atingido o equilíbrio térmico, a temperatura final da bebida 
de Clarice, em °C, estava entre 
a. 75,0 e 85,0. 
b. 65,0 e 74,9. 
c. 55,0 e 64,9. 
d. 45,0 e 54,9. 
e. 35,0 e 44,9. 
8. (UDESC 2011) Um gás em uma câmara fechada passa pelo ciclo termodinâmico representado no diagrama 
p x V da Figura.
O trabalho, em joules, realizado durante um ciclo é: 
a. + 30 J 
b. - 90 J 
c. + 90 J 
d. - 60 J 
e. - 30 J 
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 113
9. (UECE 2010) Pode-se afirmar corretamente que a energia interna de um sistema constituído por um gás 
ideal 
a. diminui em uma expansão isotérmica. 
b. aumenta em uma expansão adiabática. 
c. diminui em uma expansão livre. 
d. aumenta em uma expansão isobárica. 
10. (FGVRJ 2010) Ao realizar um trabalho de 80 mil calorias, um sistema termodinâmico recebeu 60 mil calorias. 
Pode-se afirmar que, neste processo, a energia interna deste sistema 
a. aumentou 20 mil calorias. 
b. diminuiu 20 mil calorias. 
c. aumentou 60 mil calorias. 
d. diminuiu 80 mil calorias. 
e. conservou-se. 
Gabarito Comentado
Resposta da questão 1: [D]
Da equação fundamental da calorimetria:
( )( )Q mc Q 500 0,1 520 20 25.000 cal.= ∆θ ⇒ = − =
Resposta da questão 2: [E]
Aplicação direta da fórmula do calor sensível.
( )Q m.c. Q 200x0,6x 50 20 3600cal= ∆θ → = − =
Resposta da questão 3: [E]
O somatório dos calores trocados é nulo.
( ) ( )1 2 1 1 2 2 2
2 2
Q Q 0 m c T m c T 0 200 80 25 m 80 100 0 
20m 11.000 m 550 g.
+ = ⇒ ∆ + ∆ = ⇒ − + − = ⇒
= ⇒ =
Resposta da questão 4: [B]
Dados: m = 80 kg = 80.000 g; ∆t = 40 – 36,5 = 3,5 °C; c = 1 cal/g°C.
Da equação do calor sensível: 
Q = m c ∆t ; Q = 80.000 x 1 x 3,5 = 280.000 cal ; Q = 280 kcal. 
114
Resposta da questão 5: [B]
Q mc P. t 50x20
P c 0,25cal / (g C)
t t m. 200x20
è
è
∆ ∆= = → = = = °
∆ ∆ ∆
Resposta da questão 6: [A]
2
1 2 1 1 2 2 2 1 2 2 1
T
Q Q mc T mc T 5c T c T T
5
∆
= → ∆ = ∆ → ∆ = ∆ → ∆ =
Resposta da questão 7: [C]
VCafé = 50 mL; VLeita = 100 mL; VAdoçante = 2 mL; cCafé = 1 cal/gºC; cLeita = 0,9 cal/gºC; cAdoçante = 2 cal/gºC.
Considerando o sistema termicamente isolado, vem:
( ) ( ) ( )Café Leite Adoçante Café Leite AdoçanteQ Q Q 0 mc mc mc 0 + + = ⇒ ∆θ + ∆θ + ∆θ = ⇒
Como as densidades () dos três líquidos são iguais, e a massa é o produto da densidade pelo volume (m =ρ.V), 
temos:
( ) ( ) ( )
( )( ) ( )( ) ( )( )
Café Leite Adoçante
Vc Vc Vc 0 
50 1 80 100 0,9 50 2 2 20 0 
50 4.000 90 4.500 4 80 0 
8.580
144 8.580 
144
59,6 C.
ρ ∆θ + ρ ∆θ + ρ ∆θ = ⇒
θ − + θ − + θ − = ⇒
θ − + θ − + θ − = ⇒
θ = ⇒ θ = ⇒
θ = °
Portanto, a temperatura de equilíbrio está sempre 55 °C e 64,9 °C. 
Resposta da questão 8: [E]
Em um ciclo fechado, o trabalho é numericamente igual à área da figura. Seu valor é negativo, devido ao sen-
tido anti-horário.
3 20
W 30J
2
×= − = −
Ciências da Natureza e suas Tecnologias · Física 115
Resposta da questão 9: [D]
Numa expansão isobárica A→B (VB > VA), temos:
A B
A B
V V
T T
= . Sendo VB > VA ; TB > TA. 
Como a energia interna é diretamente proporcional à temperatura absoluta, a energia interna aumenta. 
Resposta da questão 10: [B]
Dados: W = 80.000 cal; Q = 60.000 cal.
Da primeira lei da termodinâmica:
∆U = Q – W ; ∆U = 60.000 – 80.000 ; ∆U = – 20.000 cal.
O sinal (–) indica que a energia interna diminuiu.